航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

基于响应面法的鸟撞风扇叶片损伤预测

有限元模拟鸟撞风扇叶片损伤成本高,为解决工程问题,采用经典叶栅鸟撞切割模型建立了鸟撞风扇叶片动载荷数学模型,结合鸟撞部件试验结果,以拟合技术明确风扇叶片损伤程度与最大关键动载荷计算值间的函数关系,形成叶片损伤预测响应面,实现对鸟撞风扇叶片损伤的快速预测,并建立基于响应面法的鸟撞风扇叶片损伤预测工作流程。结合涡扇发动机吞鸟试验技术要求、风扇结构设计特征及已开展的鸟撞部件试验结果,建立叶片损伤预测响应面,初步识别2种鸟撞方案的径向弯曲、弦向弯曲,并计算撕裂范围分别不超过0.3867和0.3941,撕裂与弦向弯曲相关性显著,呈抛物线变化趋势。结果表明：预测的损伤在可接受的安全性水平范围内,预测方法能够识别损伤范围及趋势,可为后续鸟撞有限元模拟、试验策划、安全性分析、风扇叶片抗鸟撞设计等工作提供量化的技术支持。     

航空发动机真实机匣的包容性试验

为了研究某发动机机匣的包容性, 在旋转试验器上进行了该机匣的包容性试验.试验考虑了相邻叶片的影响, 得到了叶片断裂甩出时的转速、断叶撞击机匣的应变响应和断叶撞击机匣过程的高速摄影照片.试验结果表明, 断叶与机匣碰撞了两次, 第2次撞击时在未断叶片作用下断叶击穿机匣, 机匣的失效模式主要是剪切破坏.采用包容曲线法对机匣的包容性进行了计算, 计算结果与试验结果吻合良好.研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值.      

宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤数值仿真

为解决航空发动机宽弦空心风扇转子叶片抗鸟撞设计问题,对宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤进行了数值仿真。采用光滑质点流体动力学（SPH）算法建立鸟体模型,采用J-C本构模型和失效模型定义材料冲击下动态性能,建立旋转状态下叶片鸟撞数值仿真方法,经过试验验证能够较准确预测叶片损伤。开展相同条件下鸟撞击宽弦空心和实心风扇转子叶片仿真,对比鸟撞击叶片过程、撞击时叶片叶尖最大轴向和径向变形、撞击后叶片永久变形,研究被鸟撞击后空心叶片相比实心叶片的损伤特征。结果表明：空心和实心叶片鸟撞击过程相同;空心叶片被鸟撞击后叶尖轴向和径向变形更小;空心叶片被鸟撞击后前缘卷边变形更严重,对风扇气动性能和稳定性影响更大;在结构设计时应适当增加前缘空心区域局部刚度,或者适当增大前缘实心区域范围,用于提高空心叶片的抗鸟撞能力。     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

实体元空心叶片鸟撞流固耦合 研究及数值模拟

针对大涵道比航空发动机工作过程中常见的鸟撞问题,基于MSC.Dytran软件,研究了实体元平板鸟撞流固耦合数值模拟方法;在此基础上,建立了鸟撞实体元空心叶片转子级有限元模型,模拟了叶片遭受鸟撞发生失效的过程,并进行相应计算。结果表明:鸟体密度、叶片的屈服应力和硬化模量对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较大,且屈服应力和硬化模量的增加分别会提高和减小恒定流动的应力峰值;鸟体体积模量对叶片应力响应的影响较小;叶片的弹性模量的增加对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较小,但会显著提高恒定流动的应力峰值。     

多欧拉域耦合法在平尾鸟撞中的应用

鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。目前的研究多是对单一试件或结构的一次性鸟撞，而对鸟体穿透撞击部位后，对其他结构造成二次冲击的研究较少。为了研究这种问题，基于流固耦合算法，建立了多欧拉域耦合的某直升机平尾全尺寸模型。在考虑空气影响的前提下，详细分析了鸟撞平尾过程、前缘和前梁的损伤形式、平尾的位移响应、鸟撞载荷规律以及冲击载荷对平尾根部结构的影响，并与试验结果进行了对比。研究表明：鸟体在穿透前缘时未发生解体，其对前梁的二次冲击载荷同样很高，平尾结构设计需要考虑鸟撞是否会造成平尾根部断裂，鸟撞载荷具有阶跃函数的特点；结构响应时间对比冲击载荷有明显的滞后效应。     

复合材料层合板鸟撞损伤及吸能影响因素数值分析

数值分析是进行复合材料构件抗鸟撞损伤设计工作中的重要内容.主要采用瞬态非线性有限元分析方法结合文献试验对层合板鸟撞过程进行数值分析,分析了鸟撞层合板的初始损伤情况以及某一时刻各层的应力、应变情况;对比分析了铺层顺序、层合板参数、鸟体参数的变化对层合板吸收能量的影响.分析结果对航空复合材料层合构件抗鸟撞研究具有一定的参考价值.      

某型发动机一级风扇机匣包容性数值仿真

为研究航空发动机机匣/叶片包容性过程机理,以某型发动机一级风扇机匣/叶片为对象,建立了三种有限元模型,研究了最高工作转速下的非包容过程,分析了完整叶片等对非包容过程的影响.结果表明:该型发动机一级风扇机匣是非包容的;机匣初始裂纹的主要失效模式为双向拉伸应力下的拉伸失效,随后裂纹扩展产生大范围的撕裂;断叶受较复杂载荷的作用,最终在凸肩处断裂成二部分;断叶与机匣的撞击过程可分成三个阶段,第一次撞击为叶尖与机匣的轻微撞击,第二次撞击作用力最大,而第三次撞击受断叶后侧完整叶片的作用非常明显.受完整叶片的撞击,断叶动能有明显的增加.      

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型，考虑叶片离心刚度的影响，机匣由贝塞尔曲面拟合，风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型，在机匣二节径变形的情况下，计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大，带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低，改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近，或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时，叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

基于打靶试验的风扇机匣包容能力评估方法

为保障飞行安全,航空发动机机匣需具有足够的抗冲击能力以包容高速旋转状态下丢失的叶片。针对某型涡扇发动机对开式风扇机匣包容性评估需求,提出了1种结合真实机匣打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。通过使用真实机匣和真实叶片进行打靶试验获得风扇机匣的冲击损伤情况,并基于ANSYS/LS-DYNA进行了瞬态动力学有限元分析。结果表明:采用Johnson-Cook模型预测的机匣伤形状、尺寸以及叶片残余速度均与试验结果接近,验证了数值分析方法的准确性。采用验证过的数值分析方法开展旋转状态下机匣的包容性评估,发现由于撞击姿态差异和失效模式转变,风扇机匣可以包容以100%工作转速飞出的叶片,但机匣出现长裂纹,接近临界包容状态。所提出的方法可以在不具备部件包容试验条件的情况下,以较方便的形式对机匣包容能力可靠评估。     

带围带的涡轮叶栅间隙泄漏流动与气动性能实验

针对叶型转折角为108.1°的涡轮直叶栅,利用低速风洞,实验研究了带围带和无围带情况下叶栅出口截面的流场结构和叶栅气动性能.研究了不同围带上腔间隙、不同来流冲角情况下叶栅出口截面二次流结构、气流角分布及总压损失系数变化情况.结果表明:相对无围带叶栅,围带能够有效控制叶顶间隙泄漏,降低叶栅气动损失;随着围带与上端壁之间高度的增大,泄漏流体增多,导致泄漏流体与主流掺混的气动损失增大.对于所研究的叶栅,围带与端壁间的间隙高度不应大于1%叶展.冲角变化影响叶栅中的三维涡系结构及其强度,对叶片吸力面静压分布影响较为明显.适当的正冲角能够改善流动状况,进而提高大转折角叶栅的气动性能.      

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。     

Effect of tip geometry and tip clearance on aerodynamic performance of a linear compressor cascade

The tip leakage flow between a blade and a casing wall has a strong impact on compressor pressure rise capability, efficiency, and stability. Consequently, there is a strong motivation to look for means to minimize its impact on performance. This paper presents the potential of passive tip leakage flow control to increase the aerodynamic performance of highly loaded compressor blades. Experimental investigations on a linear compressor cascade equipped with blade winglets mounted to the blade tips have been carried out. Results for a variation of the tip clearance and the winglet geometry are presented. Current results indicate that the use of proper tip winglets in a compressor cascade can positively affect the local aerodynamic field by weakening the tip leakage vortex. Results also show that the suction-side winglets are aerodynamically superior to the pressure-side or combined winglets. The suction-side winglets are capable of reducing the exit total pressure loss associated with the tip leakage flow and the passage secondary flow to a significant degree.     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

超声速风扇叶型设计研究

为了设计低流动损失超声风扇叶型,研制出基于数值最优化超声叶型设计软件.以叶型主要几何参数为叶型设计参数,针对轴向进气第一级风扇转子采用给定轮缘功、损失最小为目标函数.设计的优化叶型后面大部分呈平直因此气流转角小、减速增压完全通过激波实现.沿弦向叶片厚度逐渐增加使叶栅通道呈收缩,总体上使流过叶栅超声气流得到减速增压.优化叶型所构成叶栅流场具有多道激波、流动损失低.设计结果表明设计方法的可行性,并可为超声风扇叶型设计提供新思路.      

叶片正弯对扩压叶栅气动性能的影响

为了研究叶片不同正弯曲角度对压气机叶栅气动性能的影响 ,在平面叶栅低速风洞上 ,对具有可控扩散叶型 (CDA)的直叶片和 15° ,2 0° ,2 5°正弯曲叶片压气机叶栅进行了实验。获得了不同弯曲角度扩压叶栅出口流场的能量损失系数、涡量以及叶片表面静压系数等的分布。结果表明 ,叶片正弯曲 2 0°时叶栅总损失降低最多 ,达16 15 %。正弯曲叶片吸力面形成“C”型压力分布 ,且这种分布随着叶片弯曲角度的增加而加强